Я потратил слишком много часов на чтение официальных документов и спецификаций понакопитель энергии. И вот что я понял: весь ландшафт более запутан и интересен, чем кажется в большинстве статей.
Все говорят об аккумуляторах. Честно говоря,-теперь они повсюду. Но хранение энергии? Это гораздо более серьезный разговор. Мы говорим обо всем: от огромных резервуаров с водой, расположенных на вершинах гор, до вращающихся кусков металла в вакуумных камерах. Некоторые из этих технологий существовали еще с тех пор, как ваши прадеды-были детьми. Другие существуют в основном в лабораториях и презентациях PowerPoint.
Позвольте мне рассказать вам, что на самом деле существует.
Старая рабочая лошадка, о которой никто не говорит
Насосное гидроаккумулирование. Звучит скучно, правда? Два резервуара на разной высоте, несколько турбин, вода течет вверх и вниз. Простая физика.
Но вот в чем дело:-эта "скучная" технология обеспечивает примерно 95 % всех энергосистем-хранилищ энергии во всем мире. Девяносто-пять процентов. Когда люди обсуждают химический состав аккумуляторов и спорят о литии и натрии, гидроэлектростанция просто тихо выполняет свою работу в фоновом режиме.
Идея почти до неприличия проста. Когда электричество дешевое (обычно ночью или когда светит солнце и работают солнечные батареи), вы закачиваете воду в резервуар. Когда цены растут или спрос резко возрастает, вы позволяете этой воде устремиться обратно через турбины. Эффективность колеблется в пределах 70-85 %, что не идеально, но емкость хранилища огромна. Мы говорим об объектах, способных хранить гигаватт-часов энергии. Не мегаватт-часов. Гигаватт-часов. Попробуйте сделать это с литий-ионным аккумулятором.
Конечно, есть одна загвоздка. Вам нужна география. Вам понадобится два резервуара. Вам нужен правильный перепад высот. Вы не сможете построить такой в Канзасе. Только получение экологических разрешений занимает годы. А первоначальные затраты? Астрономический. Но после того, как они построены, эти заводы работают 50, 60, а иногда и 80 лет. Предприятие округа Бат в Вирджинии работает с 1985 года и не собирается останавливаться.
Сжатый воздух: подземный подход
Хранение энергии на сжатом воздухе (CAES) — странный родственник гидроэлектростанций. Вместо перемещения воды вы сжимаете воздух в подземные пещеры-соляные купола, истощенные месторождения природного газа, водоносные горизонты и любые доступные геологические образования.
В не-часы пик электрические компрессоры нагнетают воздух в эти подземные пространства с таким давлением, что при одной мысли о нем у вас заложится уши. Когда вам нужна энергия, сжатый воздух высвобождается, нагревается (обычно природным газом, который является не-очень-зеленым компонентом) и проходит через турбины.
В настоящее время работают только две коммерческие установки CAES. Два. Один в Германии работает с 1978 года, другой в Алабаме с 1991 года. Технология явно работает. Но геологические требования строгие, а экономика во многих местах не реализована. Тем не менее, исследователи продолжают работать над усовершенствованными версиями-адиабатических систем, которые улавливают и повторно используют тепло от сжатия, устраняя необходимость в природном газе. На данный момент они существуют в основном в виде пилотных проектов.
Маховики: чистая механическая красота
Признаюсь,-маховики — мои любимые. Есть что-то элегантное в хранении энергии посредством вращательного движения.
Система маховика представляет собой, по сути, тяжелый ротор, вращающийся в вакуумной камере, подвешенный на магнитных подшипниках для минимизации трения. Когда у вас есть избыток электроэнергии, двигатели вращают маховик быстрее. Когда вам нужна обратная мощность, эта вращающаяся масса приводит в движение генератор. Физика чистая, интуитивно понятная.
Маховики превосходно справляются с тем, чего не любят аккумуляторы: быстрая зарядка-циклами разрядки, миллионы циклов за срок службы, мгновенное время отклика, измеряемое миллисекундами. Они идеально подходят для регулирования частоты-этих небольших постоянных корректировок, которые необходимы сети, чтобы поддерживать стабильную частоту ровно 60 Гц (или 50 Гц, в зависимости от того, где вы живете).
В чем они не хороши? Сохранение энергии в течение длительного времени. Даже при использовании лучших магнитных подшипников и почти-идеального вакуума маховики со временем теряют энергию из-за трения. Оставьте одно приседание на день, и вы потеряете значительную часть накопленной энергии. Оставьте на недельку и, ну, не беспокойтесь.
Таким образом, маховики занимают определенную нишу: приложения с кратковременной-длительностью работы и высокой-мощностью. Центры обработки данных используют их в качестве мощности моста в течение нескольких секунд, которые требуются дизельным генераторам. Некоторые транзитные системы рекуперируют энергию торможения в маховиках и отдают ее обратно на третий рельс в течение нескольких секунд. НАСА играло с ними за космические корабли.
Аккумуляторы: категория, которая действительно волнует всех
Хорошо, давайте поговорим о батареях. В последние годы количество электрохимических вариантов резко возросло, и, честно говоря, это сбивает с толку.
Литий-ионныйдоминирует в разговоре по уважительной причине. Высокая плотность энергии означает больше места для хранения данных в меньшем пространстве. Достойный срок службы, особенно с новыми химическими составами. Затраты резко упали-примерно на 90 % с 2010 года. Ваш телефон, ноутбук, электромобили и, все чаще, сетевые накопители — все они работают на различных вариантах литий-ионных-ионов.
Но «литий-ион» — это не одно и то же. Это семья. Литий-железо-фосфатный (LFP) жертвует некоторой плотностью энергии ради большей безопасности и увеличения срока службы-без кобальта, что важно как с этической, так и с экономической точки зрения. Китайские производители пошли ва-банк-на LFP, и теперь он берет верх. Между тем, никель-марганец-кобальт (NMC) содержит больше энергии на килограмм, что важно, когда вы пытаетесь обеспечить электромобилю приличный запас хода.
Тёмная сторона литий-ионных-ионов? Термический побег. Эти батареи могут эффектно загореться, если они повреждены, перезаряжены или просто по ошибке. Производство требует-энергоемкости. Цепочки поставок лития и кобальта имеют свой этический багаж. И хотя инфраструктура по переработке отходов улучшается, большинство отработанных батарей по-прежнему оказываются на свалках.
Проточные батареиприменить совершенно другой подход. Вместо хранения энергии в твердых электродах они используют жидкие электролиты во внешних резервуарах. Хотите больше энергии? Просто возьмите танки побольше. Мощность и энергия разделены, что меняет всю философию дизайна.
Ванадиевые окислительно-восстановительные проточные батареи (VRFB) являются наиболее зрелой версией. Они служат практически вечно-от 15 000 до 20 000 циклов, а может и больше. Отсутствие деградации от глубокой разрядки. Электролит не изнашивается; он просто перемещается взад и вперед по стеку ячеек. Через двадцать-лет вы сможете слить электролит, отправить его куда-нибудь в другое место и продолжать использовать.
Но проточные батареи громоздки. Низкая плотность энергии означает, что они не имеют смысла для транспортных средств или портативных устройств. Ванадий тоже недешев. Для сетевого хранилища-масштаба, где занимаемая площадь не имеет значения, а срок службы имеет значение? Они становятся все более привлекательными.
Свинцовая-кислота— это оригинальная аккумуляторная батарея, практически не изменившаяся с 1859 года. Ваш автомобиль заводится с нее. Они дешевы,-понятны и на 98 % подлежат вторичной переработке. Но срок службы посредственный, плотность энергии низкая, и они тяжелые. В сетевых приложениях они были в значительной степени вытеснены, но они по-прежнему доминируют в системах резервного электроснабжения, где стоимость имеет большее значение, чем все остальное.
ион натрия-привлекает ли новичок серьезное внимание? Натрий присутствует повсюду-буквально в морской воде-, поэтому проблемы с цепочкой поставок практически исчезают. В производственном процессе можно повторно использовать существующее литий-ионное оборудование. Производительность пока не совсем соответствует уровню литий-ионных-ионов, но разрыв быстро сокращается. CATL начала массовое производство в 2023 году. В течение пяти лет ионы натрия могут занять серьезную долю рынка стационарных хранилищ.
я должен упомянутьникель-кадмий(до сих пор используется в некоторых промышленных целях, хотя кадмий токсичен, и ЕС ограничил его использование),никель-металлогидрид(помните Prius до того, как он стал литиевым?), инатрий-сера(высоко-системы, которые японские компании активно продвигали в 2000-х годах). Но сейчас я перечисляю вещи только для того, чтобы их перечислить. Практическая реальность такова, что литий-ионные и проточные батареи наиболее активны, а натриевые-ионы быстро набирают популярность.
Аккумулирование тепла: тепло как батарея
Вот категория, которой не уделяется достаточно внимания: сохранение энергии в виде тепла (или холода).
Хранилище расплавленной солитак работают концентрированные солнечные электростанции в ночное время. Зеркала фокусируют солнечный свет на башне, нагревая расплавленную соль до 500-600 градусов. Эта соль хранится в изолированных резервуарах, и когда вам нужно электричество, вы используете ее для производства пара и запуска турбины. Завод Gemasolar в Испании может генерировать электроэнергию в течение 15 часов после захода солнца. Crescent Dunes в Неваде удерживает достаточно тепла для 10 часов генерации.
Самое замечательное в расплавленной соли то, что хранение тепла обходится дешево. Гораздо дешевле за кВтч, чем батареи. Не-хорошая вещь — это-эффективность поездки туда и обратно-, вы много теряете при преобразовании тепла в электричество и обратно.
Хранение льда – это тепловой эквивалент-сдвига во времени. Коммерческие здания замораживают воду на ночь, когда тарифы на электроэнергию низкие, а затем используют этот лед для кондиционирования воздуха в часы пик во второй половине дня. Это не гламурно, но это работает. Мир Диснея использует его. Его используют во многих офисных зданиях в жарком климате. По сути, вы используете лед в качестве батареи для охлаждения.
Есть и более новые концепции:Батареи Карнокоторые накапливают электроэнергию в виде тепла и преобразуют ее обратно с помощью тепловых двигателей, резервуары с горячей водой, которые-перемещают время в электрическом отоплении, сезонные аккумуляторы тепла для целых кварталов. Термальная вселенная удивительно глубока.
Водород: подстановочный знак
У хранения водородной энергии есть страстные сторонники и резкие критики, и, честно говоря, оба имеют веские аргументы.
Призыв прост: используйте избыток возобновляемой электроэнергии для расщепления воды на водород и кислород (электролиз). Храните водород. Когда вам нужна энергия, пропустите ее через топливный элемент или сожгите в турбине. Водород может хранить огромное количество энергии в течение очень длительного времени-недель, месяцев и даже сезонов.
Критика столь же проста: эффективность туда и обратно- ужасна. Вы теряете 30% при электролизе. Вы теряете больше при сжатии или разжижении. Вы теряете больше, преобразуя обратно в электричество. В конце-до-конца вы можете вернуть 30-40% исходной энергии. Сравните это с 85-90% для литий-ионных аккумуляторов.
Так когда же водород имеет смысл? Когда вам нужно хранить действительно огромное количество энергии в течение длительного времени. Когда вы обезуглероживаете промышленные процессы, требующие высокой температуры. Когда нужен энергоноситель, который можно транспортировать на большие расстояния. Когда другие варианты буквально не справляются со своей задачей.
Германия сделала ставку на водород. То же самое произошло и с Японией. Австралия строит экспортную инфраструктуру для поставок зеленого водорода в Азию. Оправдается ли эта ставка, зависит от того, будут ли затраты снижаться быстрее, чем улучшатся аккумуляторы,-а аккумуляторы улучшаются быстро.
Сверх-короткие-продолжительность
Суперконденсаторыхранить энергию электростатически, а не электрохимически. Они могут заряжаться и разряжаться почти мгновенно, выдерживать миллионы циклов и обеспечивать невероятную плотность мощности. Чего они не могут, так это хранить много энергии. Банк суперконденсаторов размером с транспортный контейнер может хранить то, что вмещает аккумулятор размером с чемодан.
Лучшее решение — ультра-короткие всплески: рекуперативное торможение в транспортных системах, плавная подача электроэнергии в установках с возобновляемыми источниками энергии, обеспечение той доли-секунды мощности, которая необходима ИБП, прежде чем батареи возьмут верх.
Сверхпроводящий магнитный накопитель энергии(СМЭС) еще более экзотичен. Храните энергию в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящими катушками, охлажденными до криогенных температур. Почти-мгновенный отклик, отсутствие деградации, практически бесконечный срок службы. Но затраты и сложность поддержания сверхпроводящих температур удерживают SMES в нишевых приложениях,-в основном в области качества электроэнергии для полупроводниковых заводов и других предприятий, где даже кратковременные провалы напряжения обходятся в миллионы.
Гравитационное хранилище: новая старая идея
Еще одна категория, о которой стоит упомянуть: гравитационные-системы без гидронасоса.
Энергетическое хранилищестроит крановые системы для штабелирования и раскладывания массивных бетонных блоков. Поднимайте блоки, когда энергия дешева, и опускайте их с помощью генераторов, когда вам нужна энергия. По сути, это гидросистема без воды.
Другие компании исследуют заброшенные шахты.-Спускают грузы в шахту и поднимают их обратно. Или специально-построенные башни. Или даже концепции, включающие вагоны с камнями на наклонных путях.
До сих пор неясно, смогут ли они конкурировать экономически. Плотность энергии гравитационного хранилища по своей сути низка.-Для хранения значимой энергии требуется много массы и высоты. Но сторонники утверждают, что использование дешевых материалов (бетон, гравий) и простой механики может превзойти стоимость батарей при длительном-применении.
Так что же на самом деле имеет значение?
Если вы дочитали до этого места, вам может быть интересно: какая технология побеждает?
Неправильный вопрос.
Хранение энергии не является победителем, который-захватит-весь рынок. Различные технологии подходят для разных ниш в зависимости от продолжительности, времени отклика, местоположения, структуры затрат и применения.
Требуется регулирование частоты за миллисекунды? Маховики или аккумуляторы. Нужны четыре часа резервного питания для солнечной электростанции? Литий-ионные или проточные батареи. Необходимо переместить сезонный избыток возобновляемых источников энергии? Вероятно, водород или гидроэлектростанция, если позволяет география. Необходимо охладить здание во время пиковой нагрузки? Хранение льда.
Сеть будущего не будет работать на единой технологии хранения данных. В нем будут сочетаться несколько технологий:-суперконденсаторы для мгновенного реагирования, батареи для работы от нескольких минут до часов, гидронасосы для ежедневной езды на велосипеде, водородные или термические для более длительного срока службы. Каждый слот в спектре продолжительности, скорее всего, будет заполнен той технологией, которая предлагает лучшую экономику для этого конкретного приложения.
Самое интересное то, что затраты падают почти по всем этим категориям. Стоимость литий-ионных-батарей резко упала. Электролизеры следуют аналогичной кривой обучения. Производство проточных аккумуляторов расширяется. Даже в гидроэнергетике наблюдаются инновации в виде замкнутых-систем и подземных резервуаров.
Десять лет назад ничто из этого не казалось экономически жизнеспособным в больших масштабах. Сейчас? Системы хранения данных — самый быстрорастущий-сегмент энергетического сектора.